RFID區(qū)域定位算法的研究與應用

◆秦 莉 陳 榕 任崇廣

RFID區(qū)域定位算法的研究與應用

◆秦 莉 陳 榕 任崇廣

（山東理工大學 山東 255000）

本文對RFID區(qū)域定位算法進行系統(tǒng)化的研究，通過對比測距技術(shù)和非測距技術(shù)，分析兩種技術(shù)的優(yōu)勢與劣勢，對RFID區(qū)域定位算法及技術(shù)實現(xiàn)進行描述。選取監(jiān)獄這個特定實驗場景后，對定位算法實驗的結(jié)果進行了分析。

電子標簽；定位算法；區(qū)域定位；自動識別

1 RFID介紹及原理

（1）電子標簽

電子標簽是一種自動識別技術(shù)，在近年來得到廣泛應用。該技術(shù)可充分應用射頻信號的傳輸特性，對處于各種狀態(tài)下的物品進行自動識別，在監(jiān)獄罪犯跟蹤管理系統(tǒng)中的電子腕帶、發(fā)卡器等設施中得以應用體現(xiàn)[1]。

監(jiān)獄罪犯在服刑期間可佩戴基于射頻識別工作標簽的設備，另外此類工作標簽可安裝佩戴于監(jiān)獄內(nèi)各類設施以及物品之上，通過閱讀器設施實現(xiàn)對電子標簽射頻信息的采集。閱讀器具有一定的讀取范圍，當物品、人員等配有電子標簽的其他因素進如閱讀的讀取范圍內(nèi)時，閱讀器可及時檢測并取得電子標簽中所標識的信息并記錄，完成對監(jiān)獄內(nèi)人員、物品以及各類設施、環(huán)境信息的識別和收集[2]。

根據(jù)電子標簽技術(shù)的應用效果，該技術(shù)能夠自動完成對物品、人員等基礎性要素的識別，可真正節(jié)省人力資源成本。電子標簽技術(shù)具有靈敏度高、模式多樣、非接觸式的特點，不僅支持只讀工作模式，還支持讀寫工作[3]。該技術(shù)具備較強的適應使用環(huán)境的能力，能夠適應監(jiān)獄等較為復雜的應用環(huán)境；另外可適應高度的數(shù)據(jù)集成，并擅長于安全防護領(lǐng)域。

（2）RFID自動識別

在RFID的自動識別體系中利用到智能RFID以及讀寫設備（Read-Write Units）等設施，在監(jiān)獄罪犯跟蹤管理系統(tǒng)的軟件應用部分與電子標簽進行信息交互過程需要通過上述設備間的無線通信完成[4]。

可讀寫設備在RFID自動識別原理中占據(jù)重要地位，主要利用微波進行無線傳輸。可讀可寫設備主要由三部分組成：接口、控制器以及安全模塊，以實現(xiàn)電子標簽與讀寫設備間的數(shù)據(jù)安全交互的目的[5]。讀寫設備通過TCP/IP協(xié)議接口與上位機設備連接，接收到上位機所發(fā)出的命令和數(shù)據(jù)并進行反饋。

2 RFID區(qū)域定位原理

監(jiān)獄罪犯跟蹤管理系統(tǒng)的區(qū)域定位原理中應用了RFID半有源技術(shù)，在實際應用過程中可在被監(jiān)控區(qū)域安裝應用半有源技術(shù)的定位基站設施，并在設置中安裝激活天線等設置。

區(qū)域定位原理如圖1所示。

圖1 區(qū)域定位原理圖

定位基站是定位體系的基本單位，在確定激活標簽距離范圍的基礎上，電子標簽在進入到規(guī)定范圍內(nèi)后則自動被激活，且激活設施與地址碼一一對應[6]。人員所佩戴的電子標簽同樣具備此激活特性，監(jiān)獄管理人員通過激活設施發(fā)出的“激活碼”確定標簽所在位置并對人員或物品進行定位處理[7]。在激活設施位置移動的情況下，地址碼會發(fā)生相應改變。在定位體系中標簽可上傳數(shù)據(jù)，并有定位基站接收，由管理中心處理接收到的信息，從而構(gòu)建完整的區(qū)域定位體系。

RFID區(qū)域定位原理為：電子標簽能夠通過電磁波傳輸通道建立與讀寫器的聯(lián)系，通過電感耦合或電磁耦合，電子標簽將信息傳遞給讀寫器。但傳遞的前提是電子標簽與讀寫器之間產(chǎn)生感應電流，即電子標簽已經(jīng)到達了讀寫器的讀寫范圍之內(nèi)。感應電流的能量能夠激活電子標簽，此時電子標簽通過內(nèi)置的天線，將其承載的信息通過接收天線、天線調(diào)節(jié)器傳輸給讀寫器，讀寫器對電子標簽的數(shù)據(jù)進行解碼，并發(fā)送給后臺的主系統(tǒng)，主機系統(tǒng)則根據(jù)有效信息，利用邏輯運算識別技術(shù)，對配有該電子標簽的卡片進行身份判斷，在確定其合法性后，結(jié)合相關(guān)規(guī)定發(fā)出指令信號，控制執(zhí)行系統(tǒng)工作。

RFID系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括信息的編碼與調(diào)制、基帶信號編碼、基帶信號調(diào)制等技術(shù)，能夠通過對數(shù)據(jù)的保護以及校驗、多標簽識別、物理安全機制、認證機制等保障數(shù)據(jù)的完整性以及安全性。

3 RFID區(qū)域定位算法理論研究

RFID區(qū)域定位算法是該技術(shù)的關(guān)鍵，研究定位算法可以提高RFID區(qū)域定位系統(tǒng)定位的精度，提高整個區(qū)域定位系統(tǒng)的使用效率和生命周期。在RFID區(qū)域定位算法分析中，針對測距技術(shù)的定位算法和非測距技術(shù)的算法兩種類型進行比較和分析。

（1）測距技術(shù)的定位算法

測距技術(shù)的定位算法是要求節(jié)點具備測距的能力或角度信息，具有定位精度高的優(yōu)勢。但是測距技術(shù)的定位算法對于節(jié)點硬件的要求較高，同時在定位過程中的能力消耗較大。此外，測距技術(shù)的定位算法對于環(huán)境的要求也比較高，需要注意節(jié)點的溫度、濕度等環(huán)境因素。

（2）非測距技術(shù)的定位算法

非測距技術(shù)定位算法具有低成本、低功耗的優(yōu)勢。雖然非測距技術(shù)的定位算法的定位誤差略高于測距技術(shù)的定位算法，但其定位精度仍然能夠滿足普遍的工作及生活需求。APIT定位法是典型的非測距技術(shù)的定位算法，指利用最佳三角形內(nèi)點測試法，盡可能多地收集錨節(jié)點附近的信標節(jié)點，當信標節(jié)點的數(shù)量為時，按照數(shù)學中的排列組合方式，任意選取三個信標節(jié)點組成三角形，共有C3個三角形。隨后對未知節(jié)點進行逐一地檢測，測試其是否位于每個三角形中，測試完成后，計算包含未知節(jié)點的三角形重疊面積，并準確找出重疊區(qū)域的質(zhì)心，即為未知節(jié)點的位置。

4 RFID區(qū)域定位算法的技術(shù)實現(xiàn)

監(jiān)獄罪犯跟蹤管理系統(tǒng)借助RFID的邊界虛擬參考標簽定位實現(xiàn)對監(jiān)獄人員的定位，利用跟蹤服務器對人員進行記錄，保障監(jiān)獄罪犯跟蹤管理工作的順利進行。

在位置分布內(nèi)，T1、T2、T3、T4分布在區(qū)域內(nèi)中間實際布置的參考標簽上。在邊界虛擬參考標簽內(nèi)設置了16個參考標簽，通過原標簽的定位結(jié)果得到虛擬參考標簽的定位結(jié)果。在第一行內(nèi)的四個標簽中，通過閱讀器能夠得到對應的坐標值以及RSSI值，進而獲取具體的定位值。

在監(jiān)獄罪犯跟蹤過程中應用少量的邊界虛擬標簽，不能確保定位的精度要求，另外由于監(jiān)獄的區(qū)域面積比較大，因此應該通過網(wǎng)絡虛擬標簽算法，完成具體的區(qū)域定位操作。網(wǎng)絡虛擬標簽算法中，需要把邊界虛擬參考標簽和四個參考標簽進行劃分，將其分成N*N個網(wǎng)格，在對應的網(wǎng)格中增加網(wǎng)格虛擬參考標簽。

5 RFID區(qū)域定位算法實驗對比

為了能夠更好地確定定位算法的定位精度，選擇實際的實驗場景和設備進行了定位算法的實驗，在實驗后得到了具體的實驗結(jié)果并進行了分析描述。

（1）實驗場景與設備

進行本次實驗的場地為某監(jiān)獄管理部門的監(jiān)獄，選取的具體實驗范圍是31米*20米的室內(nèi)空間中。對于實驗范圍中存在多次人員活動的情況，總共能夠檢測到52個不一樣的AP數(shù)據(jù)信號，不同的位置參考數(shù)據(jù)內(nèi)確定了RSSI超過-85dBm的AP進行定位資料的依據(jù)。

按照實驗場景內(nèi)監(jiān)獄人員活動區(qū)的位置，在走道位置中挑選了75個參考值來完成位置指紋獲取，兩個參考值中的平均距離是3m。

（2）實驗結(jié)果分析

對于選擇的實驗范圍中確定了35個待定位點的實驗內(nèi)容，同時使用了兩類匹配算法確定待定點位置，采用了DV-Hop定位算法和改進APIT定位算法。

K取2與3兩種情況后，得到了加權(quán)K鄰近算法的定位誤差，得到的實驗結(jié)果為：K的數(shù)值是2或3的情況下，加權(quán)DV-Hop定位算法的匹配精度不會出現(xiàn)變動，平均定位的差距當K為2時得到大概是1.89米，K為3時得到大概為4.05米。

改進APIT定位算法得到的定位返回則明顯較高，平均定位誤差范圍在1.12米內(nèi)，而且針對定位誤差比較明顯的待測點，利用APIT定位算法進行三角剖分后，明顯降低了錯誤參考點作為定位數(shù)據(jù)的誤差，增加了待測點相鄰近參考點進行位置估算時的貢獻范圍，而且提升了定位的精度。

通過APIT三角剖分定位算法進行移動目標的定位后，通過實驗結(jié)果可知，本定位算法能夠較好滿足已設定實驗場景內(nèi)的移動定位需要。

6 結(jié)束語

本文是RFID區(qū)域定位算法研究，針對RFID區(qū)域定位算法研究中，研究了RFID區(qū)域定位原理，對基于測距技術(shù)、基于非測距技術(shù)兩種形式的定位算法進行了分析，完成了RFID區(qū)域定位算法及技術(shù)實現(xiàn)的描述。

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[3]陳明月.RFID無線射頻識別技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)的應用[J].信息與電腦（理論版），2019，32（13）：174-175.

[4]陳龍鵬，葉寧，王汝傳.基于雙神經(jīng)網(wǎng)絡的RFID室內(nèi)定位方法[J].計算機系統(tǒng)應用，2019，28（11）：218-223.

[5]羅來曦.物聯(lián)網(wǎng)中RFID安全技術(shù)研究[J].中國新通信，2019，21（18）：154-155.

[6]張龍裔.RFID在智慧臺站的應用[J].信息與電腦（理論版），2017，27（01）：203-205.

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本文受山東省自然科學基金（ZR2017LF004）資助